三向加载下粒径级配对矸石压缩特性的影响

为研究粒径级配对矸石充填材料压缩性能的影响,优化充填开采的工程效果,利用自主研制的矸石三向加载系统,对16种不同粒径级配矸石充填材料进行三向加载试验,分析不同围压条件下各粒径级配矸石轴向压缩变形特征,揭示粒径级配对三向加载下矸石充填材料变形特性的影响规律.研究结果表明,不同级配矸石三向加载压缩曲线均可较好的拟合为二次函数,且各拟合参数均可由含围压的一次函数描述,三向加载条件下矸石抵抗变形能力从大到小依次为连续级配矸石、不连续级配矸石、单粒径级配矸石,单粒径级配矸石中0～10 mm粒径,不连续级配矸石中细料含量40%和连续级配矸石中实验指数0.5的矸石压缩性能较良好.     

考虑间断级配的破碎矸石压实和再破碎研究

级配结构是影响破碎矸石压实和再破碎特征的重要因素,而级配矸石的压实和再破碎特征直接决定了采空区充填质量和效果。首先,采用分级加载方式对连续级配和间断级配的破碎矸石进行侧限单轴压缩试验;基于试验结果,研究轴向应力和级配共同影响下的压实变形参数、再破碎参数的变化规律,分析再破碎后颗粒的粒径分布和分形特征。然后,以级配压实-破碎—分形演化为研究路线,建立分别表征压实和分形特征的压实度增量与分形维数之间的关系式,以及分别表征压实和再破碎特征的应变与分形维数增量之间的关系式,并论证关系式中参数的物理意义,探讨级配矸石压实和再破碎过程之间的内在关系。研究结果表明：根据压缩模量变化规律及其不同阶段的压实变形机理,可将不同级配破碎矸石压实阶段划分为快速压实、缓慢压实和稳定压实3个阶段,颗粒再破碎后的粒径分布特征表明颗粒的再破碎主要发生在缓慢压实阶段;本文提出的关系式较好地描述了级配破碎矸石的压实—再破碎全过程,可反映不同级配矸石在压实和再破碎过程中的稳定性,可为采空区精准充填及其预防提供理论依据。     

矸石充填料浆流变特性与颗粒级配相关性试验研究

为了明确矸石充填料浆流变参数与颗粒级配指标的相关性,通过开展不同级配骨料、静置时间条件下的充填料浆流态变化规律试验,研究静置时间、颗粒级配对料浆流态变化的影响。以山西省孝义市新阳某矿矸石胶结充填采煤为工程背景,基于料浆流变特性,分析管道堵塞、磨损机理,得到最优的骨料颗粒级配(2号料浆骨料级配);建立料浆不沉颗粒临界粒径公式,明确2号料浆中不沉临界粒径为14 mm。试验结果表明:料浆的初始剪切力和表观黏度均随着静置时间的延长而增加;料浆的流变特性是个多种模型复合特性的综合体现,随着剪切速率的增加,料浆流变曲线呈上凸状;粒径d10(即粒径累积分布中累积粒径含量达到10%时对应的粒径)、d30(即粒径累积分布中累积粒径含量达到30%时对应的粒径)与料浆的表观黏度和初始剪切力相关性最强,表明0~30μm粒径颗粒对料浆的流变性能影响最大;料浆静置时间越长,表观黏度与粒径d10,d30的相关性强度逐渐降低,而初始剪切力与之相关性则增强。     

矸石膏体粗集料级配优化试验研究

在矸石膏体充填开采中,粒径为5~25 mm的矸石占矸石膏体总质量的30%~40%,其粒径级配对矸石膏体力学性能具有重要影响。为了得到粒径为5~25 mm矸石的最佳级配,根据Talbol理论进行连续级配设计,制得矸石膏体浆料,对其可泵性进行测定;然后将其制成矸石膏体试样,标准养护28 d后,对其进行单轴压缩试验以测定其抗压强度、弹性模量等。结果表明,保持矸石、粉煤灰、水泥占膏体总质量的62.5%,29.2%,8.3%,并取粒径为0~5 mm的矸石占矸石总质量的40%时,随着Talbol幂指数逐渐增大,膏体浆料的坍落度及扩展度具有先增大后减小的变化趋势;泌水率具有逐渐增大的变化趋势;膏体试样的抗压强度和弹性模量具有先增大后减小的变化趋势。结合膏体可泵性及力学性能测定结果,当Talbol幂指数为0.5时,粒径为5~10,10~15,15~20,20~25 mm的矸石分别占矸石总质量的37.9%,8.5%,7.2%,6.4%,即为矸石膏体粗集料最佳级配。     

颗粒级配对粗骨料充填料浆离析的影响

基于不合理的颗粒级配是粗骨料充填料浆发生离析的重要因素,以富勒公式为基础,建立平均粒径和粒径分散系数2个级配表征参数。基于魏茅斯干涉级配理论设计11种颗粒级配,并以此进行离析实验确定粒径分散系数的合理范围,利用云南某矿固体物料进行室内验证实验。研究结果表明:以屈服应力175~225 Pa、膏体料浆粒度低于20μm颗粒质量分数为约束条件,可得当粗骨料充填料浆合理离析率为11.65%~14.53%时,其粒径分散系数K为1.43~1.45,平均粒径为1.89~2.00 mm;基于原级配的优化调整必要且有效;料浆质量分数为68%的G3和质量分数为70%的G2离析率测量值与合理离析率相比,误差分别为3.23%和5.75%,粗骨料充填料浆粒径分散系数和平均粒径的范围可靠、准确。     

薄煤层井下泵送矸石充填开采技术研究

针对北宿煤矿薄煤层开采,岩巷、半煤岩巷道掘进量大、辅助运输提升紧张及建筑物下压煤等问题,进行了煤矸石充填料配比试验研究和井下泵送充填系统与工艺设计.确定矸石充填料质量配比为：水∶粉煤灰∶煤矸石=1∶1∶10.采用大小矸石仓结合的方法,实现了矸石的井下运输、破碎、储存;各种充填材料在搅拌机作用下充分搅拌成似膏体状,再经煤矸石输送泵通过管路充填到采空区.该充填系统机械化程度高,实际应用与操作方便,对煤矿薄煤层地质条件适应性强.     

基于离散元法离析对混合料骨架结构特征影响

为从细观角度探究级配离析对沥青混合料内部骨架结构构成和受力特征的影响,基于离散元法建立二维混合料骨架模型,对不同离析状态的混合料骨架结构基本构成、受力特征等方面进行了研究和对比。结果表明:(1)提出了根据集料的级配生成二维离散元数字试件的方法;(2)一定粒径以上粗集料相互接触形成网络结构,构成了混合料内部基本骨架,而细集料主要起填充作用,级配离析将影响基本骨架的构成;(3)混合料中细集料的增多会降低矿料间隙率;(4)随着级配由粗到细,集料间接触点的数量急剧增加,集料间的平均接触力和最大接触力都逐渐减小,因而,当混合料发生粗集料离析时,在行车荷载作用下,混合料中粗骨料更易被压碎;(5)以粒径在2. 36 mm以上集料构成的骨架结构对抵抗压缩荷载的贡献率达70%以上,级配离析将影响不同粒径集料对抵抗荷载的贡献率,随着级配由粗到细,较粗集料贡献率下降,较细集料贡献率上升,各档集料的贡献率趋于均衡。     

不同浓度料浆流变特性与混合骨料级配相关性试验

为了探究混合骨料配比及粒径级配对料浆流变特性的影响,首先对矿山充填常用的废石和棒磨砂及其混合骨料进行粒径分析,并得到相应的特征粒径.其次采用流变仪对不同骨料配比、不同质量分数条件下的料浆进行测定,采用H-B流变模型拟合出相应的流变参数.然后对流变参数和流变特性进行分析,并基于最小二乘法研究骨料粒径级配与料浆流变特性的相关性.最后对料浆稳定性进行讨论,并通过建立力学模型确定了混合骨料不沉降离析的临界粒径范围为13.8~21.6mm.试验结果表明:料浆屈服应力和表观黏度均随料浆质量分数的增大而增大;随着剪切速率的增大,料浆流变特性表现出不同的模型特性;料浆流变特性参数与骨料粒径级配的相关性随着特征粒径值的增大而增大.随着质量分数的提高,料浆屈服应力与骨料粒径级配相关性逐渐减弱,而表观黏度与之相反,质量分数和骨料粒径级配对料浆稳定性有很大影响.     

应用∑Δpi/di确定有效细粒群的最佳配比

为提高填充料浆质量及指导料浆管输设计,论证了级配特征参数∑Δpi/di与极限体积分数Cvm的相关性,得出了粗、细两种充填物料混合后体积分数达到最大值时的级配最佳的结论,并给出了求解极限体积分数的方程组.     

应用∑△p_i/d_i确定有效细粒群的最佳配比

为提高填充料浆质量及指导料浆管输设计,论证了级配特征参数∑Δp/d与极限体积分数G_(vm)的相关性,得出了粗、细两种充填物料混合后体积分数达到最大值时的级配最佳的结论,并给出了求解极限体积分数的方程组。     

混合骨料级配对充填料浆离析的影响

针对金川矿山废石-棒磨砂混合骨料充填料浆存在的离析问题,通过优化混合骨料级配来控制料浆的离析率。首先,对充填骨料进行物化分析及级配分析,通过堆积密实度试验确定混合骨料配比,以WeyMouth粒子干涉理论为基础设计8种级配的混合骨料,并以此进行料浆离析试验;其次,基于Fuller公式建立混合骨料粒径连续分布模型,结合统计学基本原理建立平均粒径和粒径分散系数2个级配表征参数。然后,根据离析试验结果,以屈服应力为条件,确定混合骨料平均粒径和粒径分散系数。最后,以金川矿山充填材料进行验证试验。研究结果表明:在废石与棒磨砂质量比为7:3,屈服应力为50～60 Pa条件下,满足混合骨料高浓度料浆管道自流输送的离析率为16.76%～21.55%,由此确定混合骨料的平均粒径为4.99～5.39 mm,粒径分散系数为1.42～1.45。当料浆质量分数为80%时,级配T1和T2的离析率分别为16.38%和17.04%,与界定值16.76%～21.55%相比较,相对误差分别为1.17%和2.28%,说明确定的混合骨料级配参数范围具有一定的可靠性。     

SMA应用于机场道面的室内评估

以三种SMA级配以及机场密级配拌和EVA改性沥青黏结料进行各项沥青混凝土工程性质试验,并以Cantabro磨损试验评估机场道面抵抗剥脱能力,以英式摆锤试验(BPT)和铺砂法量测平均纹理深度来评估机场道面的抗滑特性,且比较不同载重状况下各级配沥青混凝土抵抗车辙变形的能力,以找出最适合铺筑于机场道面的沥青混凝土.结果表明,SMA级配有较好的抗磨损、抗滑及抵抗车辙的能力.在抗滑特性上发现,公称最大粒径较大的SMA级配,较能在路面含水时提供较佳的抗滑特性.在试件未受水侵害的情况下,密级配的Cantabro磨损率明显较SMA级配高,受到水侵害1d后发现,大致有级配越粗磨损率越大的趋势.随着载重的增加,各级配的车辙深度也会显著增加,并发现受到7天水侵害的试件的车辙深度会明显提高.抵抗各种载重的车辙能力大致以12.5 mm NMAS公路SMA级配较为稳定,若提高压实度至100％,则19 mm NMAS公路SMA则可在未受水侵害的情况下提供较佳的抵抗车辙能力.     

应用∑△pi／di确定有效细粒群的最佳配比

为提高填充料浆质量及指导料浆管输设计，论证了级配特征参数∑△pi/di与极限体积分数Cvm的相关性，得出了粗、细两种充填物料混合后体积分数达到最大值时的级配最佳的结论，并给出了求解极限体积分数的方程组。     

连续级配胶结充填体力学特性及声发射特征

基于程潮铁矿尾砂胶结充填背景,配制7组不同Talbol指数n的连续级配胶结充填体试样,开展了单轴压缩胶结充填体声发射(AE)监测试验,获取了胶结充填体强度及声发射特征参数.研究结果表明:连续级配胶结充填体的强度随n的增大呈震荡上升,达到最大值后骤然下降,当n=0.5时,连续级配胶结充填体强度最优,连续级配胶结充填体试样破坏后表壁以主裂纹为主,主裂纹发育完整,属于单一裂纹贯穿破坏,当n≠0.5时,主裂纹沿扩展方向发生偏转,属于裂纹绕行扩展破坏;当n=0.5时,声发射能率与累积能量均呈现出明显与全应力应变曲线对应的阶段性变化特征,当n≠0.5时,声发射能率呈现周期性间断峰值变化规律,累积能量表现为明显的阶梯性变化特征.     

粗颗粒土静力压实特性的试验研究

研究粗颗粒土的压实特性随级配和含水率的变化规律,对工程实践具有重要的指导意义.以大石峡土石坝的筑坝料为研究对象,借助分形级配方程,分别进行了不同级配粗颗粒土的相对密度试验和不同级配不同含水率粗颗粒土的静力压实试验,研究了级配和含水率对试验土料压实特性的影响规律.结果表明,当含水率达到最佳时,粗颗粒土达到最大干密度,超过最佳含水率时反而不利于粗颗粒土的压实;由静力作用得到的干密度和动力作用得到的最大干密度随分形维数的增加呈现相同的变化趋势,均在分形维数为2.62时出现极值点,对应的级配为最优级配.将最优分形维数取为2.60,并通过一些工程堆石料的级配曲线验证了其合理性.研究结论可为填方工程中填筑料的加水量控制和级配设计提供可靠的理论依据.     

长壁工作面矸石充填开采沉陷控制效果的初步分析

在简要介绍长壁工作面矸石充填采煤原理的基础上,分析了长壁工作面矸石充填开采沉陷机理和过程,提出了矸石充填开采的有效充填厚度和等效开采厚度的概念,建立了长壁工作面矸石充填开采覆岩破坏和地表沉陷的预测模式。并结合兖州矿区某煤矿3煤采区地质采矿条件,分析研究了矸石充填开采沉陷控制的具体效果。     

原生矸石风力充填技术研究与应用

协庄煤矿现每天产生矸石400吨,为了实现洁净开始、绿色开采的目标,创新研究了原生矸石不升井,破碎后充填采空区新技术。     

煤矿膏体充填材料配比试验研究

根据膏体充填工艺及上覆岩层控制理论,提出了膏体需具有自稳能力和强度,还应具有良好的可泵性,其性能受矸石级配、细粉料、胶结料、质量浓度等多种因素的影响。以五亩冲煤矿膏体充填为例,通过正交试验系统研究了膏体充填材料的配比,通过环管试验研究了膏体在管道中的沿程阻力。试验结果表明:膏体质量浓度为79%,水泥、生石灰、矸石的质量比为1∶3∶7时,制成的膏体在技术上和经济上均能满足五亩冲煤矿充填需要。     

SMA应用于机场道面的室内实验

以三种SMA级配以及机场密级配拌和EVA改性沥青黏结料进行各项沥青混凝土工程性质试验,并以Cantabro磨损试验评估机场道面抵抗剥脱能力,以英式摆锤试验(BPT)和铺砂法量测平均纹理深度来评估机场道面的抗滑特性,且比较不同载重状况下各级配沥青混凝土抵抗车辙变形的能力,以找出最适合铺筑于机场道面的沥青混凝土。结果表明,SMA级配有较好的抗磨损、抗滑及抵抗车辙的能力。在抗滑特性上发现,公称最大粒径较大的SMA级配,较能在路面含水时提供较佳的抗滑特性。在试件未受水侵害的情况下,密级配的Cantabro磨损率明显较SMA级配高,受到水侵害1 d后发现,大致有级配越粗磨损率越大的趋势。随着载重的增加,各级配的车辙深度也会显著增加,并发现受到7天水侵害的试件的车辙深度会明显提高。抵抗各种载重的车辙能力大致以12.5 mm NMAS公路SMA级配较为稳定,若提高压实度至100%,则19 mm NMAS公路SMA则可在未受水侵害的情况下提供较佳的抵抗车辙能力。     

急斜煤层顶板岩墙的破断规律及矿压显现

本文根据急斜煤层的实际开采和采空区垮落充填状况,把采空区下部充填矸石视为弹性基础,建立了弹性基础墙的力学摸型。采用理论分析和摸拟试验,研究了充填矸石高度和强度对顶板岩墙沿倾向破断规律及工作面矿压显现的影响。